Понижающе-повышающий преобразователь с самозапиткой продлевает работу светильника
Автор из ADI описывает, как с помощью понижающе-повышающего преобразователя LTC3115-2 и самозапитки (бутстрепа) вывода VIN продлить работу батарейного кемпингового LED-фонаря при частых отключениях электричества.
В статье описано, как с помощью понижающе-повышающего преобразователя продлить время работы от батарей недорогого портативного LED-светильника. Хотя описанное решение ориентировано главным образом на радиолюбителей, изложенные в нём приёмы применимы и в самых разных промышленных задачах.
Жить у просёлочной дороги по-своему приятно: тихая обстановка, вокруг природа. Но есть и недостаток: время от времени отключают электричество. В наших краях это случается примерно пять раз в год, и частые отключения доставляют массу неудобств, особенно ночью, когда весь дом погружается в темноту. Многие семьи ещё могут кое-как обойтись без интернета, но отсутствие освещения — серьёзная проблема. После очередного отключения я разработал инженерное решение, чтобы подобное больше не повторялось.
Старый пыльный кемпинговый фонарь из гаража был очищен, снабжён четырьмя новыми батарейками типоразмера D и введён в строй: он способен давать свет несколько часов. Однако по мере разряда батарей яркость непрерывно падает, пока фонарь не гаснет совсем. Чтобы улучшить его характеристики, в статье рассмотрены различные способы более эффективного питания светодиодов.
Светодиоды обычно соединяют последовательно и питают от источника стабильного тока. Внутренняя схема этого кемпингового фонаря тоже использует похожую последовательную конфигурацию, а ток через цепочку светодиодов задаётся токоограничивающим резистором. По мере разряда батареи напряжение питания постепенно снижается, прямое напряжение на светодиодах уменьшается, и сила света падает, пока напряжение не опустится ниже минимального рабочего порога и светодиоды не погаснут. Поэтому можно применить понижающе-повышающий преобразователь, который будет подавать на цепочку светодиодов стабильное напряжение, а небольшой резистор ограничит ток. У такого подхода есть ещё одно важное преимущество: когда напряжение батареи опустится ниже прямого напряжения светодиодов, схема сможет повысить напряжение батареи и удержать светодиоды включёнными. Так постепенно сформировалась рабочая идея конструкции.
В корпус светильника была встроена плата DC2119A — оценочная плата понижающе-повышающего преобразователя LTC3115-2. Эта микросхема допускает входное напряжение до 40 В и позволяет продлить время работы при самых разных условиях питания, в том числе в аварийных резервных источниках.
Стоит отметить, что когда FET A и FET B образуют понижающий преобразователь, FET C постоянно закрыт, а FET D постоянно открыт. Когда PVIN выше PVOUT, FET A открывается, на индуктивности возникает напряжение, она накапливает энергию, и ток течёт от SW1 к SW2. Затем FET A закрывается, а FET B открывается. Ток протекает через FET B, ток индуктивности продолжает течь от SW1 к SW2 и в итоге поступает в выходной конденсатор, подключённый к выводу PVOUT. В повышающем режиме FET C и FET D открываются попеременно в противофазе: FET C заряжает индуктивность от входного напряжения, а FET D передаёт накопленную в индуктивности энергию в выходной конденсатор. В этом режиме FET A постоянно открыт, а FET B постоянно закрыт. В понижающе-повышающем режиме входное и выходное напряжения равны, разности напряжений на индуктивности нет, и логика переключения должна быть соответствующим образом изменена. На рис. 2 показаны осциллограммы напряжения на коммутационных узлах и тока индуктивности при входном и выходном напряжении 6 В.
(FET A + FET C): FET A открыт, напряжение узла SW1 поднимается до PVIN. FET C открыт, узел SW2 притянут к 0 В. К индуктивности приложено высокое напряжение, ток линейно растёт и течёт от SW1 к SW2.
(FET A + FET D): затем FET C закрывается; чтобы сохранить ток неизменным, индуктивность создаёт на своих выводах напряжение обратной полярности, напряжение узла SW2 растёт, пока не откроется паразитный диод FET D, и в этот момент напряжение SW2 превышает PVOUT на 0,6 В. Далее открывается FET D, паразитный диод шунтируется, напряжение SW2 возвращается к PVOUT, ток индуктивности линейно спадает, а энергия поступает в выходной конденсатор.
(FET B + FET D): далее закрывается FET A, индуктивность снова создаёт обратное напряжение, открывается паразитный диод FET B, и напряжение узла SW1 опускается на 0,6 В ниже нуля. Затем открывается FET B, и узел SW1 замыкается на 0 В. Теперь узел SW1 равен уже не VIN, а 0 В, поэтому разность напряжений на индуктивности возрастает, и разряд ускоряется.
(FET B + FET C): затем закрывается FET D, открывается его паразитный диод, и напряжение SW2 поднимается до значения, превышающего PVOUT на 0,6 В. Сразу после этого открывается FET C, и SW2 притягивается к 0 В. Теперь и SW1, и SW2 находятся на 0 В, и плавающие конденсаторы CBST1 и CBST2 начинают подзаряжаться; накопленное в них напряжение используется для управления верхними ключами FET A и FET D.
После разборки кемпингового фонаря выяснилось, что все светодиоды внутри соединены параллельно, а батарея питает их напрямую через четыре мощных резистора 7,5 Ом, 3 Вт, что ведёт к большим потерям энергии и ускоренному разряду батарей. Большая часть энергии рассеивается на резисторах, и время работы от батарей, естественно, сильно сокращается. Измеренное рабочее напряжение на светодиодах составило 3,2 В.
Напряжение на полностью разряженном аккумуляторе составляет около 1 В, а значит, напряжение батарейного блока этого фонаря снижается примерно до 4 В. Хотя здесь хватило бы и простого понижающего преобразователя, в итоге был выбран понижающе-повышающий. После удаления штатных мощных резисторов цепочка светодиодов сначала была запитана напрямую от лабораторного источника, и напряжение около 3,3 В дало оптимальную яркость. Затем выходное напряжение LTC3115-2 было установлено на 3,3 В для непосредственного питания светодиодов; принципиальная схема приведена на рис. 3.
После подключения батарейного блока к преобразователю светодиоды, как и ожидалось, зажглись на полную яркость. Но примерно через 10 минут работы свет начал мигать, что явно не является желаемым поведением. Дальнейший анализ показал, что напряжение батареи упало до 2,4 В — порога блокировки по пониженному входному напряжению микросхемы, из-за чего она многократно перезапускалась. После выключения микросхемы светодиоды гаснут, нагрузка с батареи снимается, и напряжение постепенно восстанавливается; затем микросхема снова запускается, светодиоды вновь загораются, и цикл повторяется. Это явление называют «шумом моторной лодки», и название пришло из ранних портативных усилителей звука: многократное подключение и отключение нагрузки заставляло схему непрерывно колебаться, а динамик издавал звук «пых-пых», похожий на звук лодочного мотора.
Проблема была эффективно смягчена путём самозапитки (бутстрепа) вывода VIN от выходного напряжения. Бутстреп — распространённый приём, при котором входной вывод повышающего преобразователя питается от выходного напряжения; за счёт усиления управления внутренними полевыми транзисторами он обычно повышает общий КПД схемы. В документации на микросхему также подробно описана схема бутстрепа вывода VCC: такой способ уменьшает падение напряжения на внутреннем стабилизаторе с малым падением (LDO) LTC3115 и тем самым повышает КПД преобразования. В данной же схеме бутстреп, кроме того, позволяет удерживать напряжение на выводе VIN всегда выше порога блокировки по пониженному напряжению, расширяя диапазон входных напряжений, при котором микросхема нормально работает. В этой схеме выводы PVIN и VIN питаются раздельно, а вывод VIN через диод D2 на рис. 3 подключён к выходу VOUT. Поскольку в момент запуска выходное напряжение равно 0 В, к выводу VIN дополнительно подключён диод D1, обеспечивающий надёжный запуск микросхемы. Оба диода — типа 1N5819. Одновременно добавлен конденсатор C3, поддерживающий напряжение на выводе VIN при кратковременных провалах напряжения батареи. Ток силовой цепи LTC3115 (полевые транзисторы, индуктивность) поступает от PVIN, а потребление вывода VIN крайне мало, поэтому для фильтрации и развязки достаточно конденсатора обычной ёмкости. Описанные доработки значительно улучшили работу светодиодного драйвера, и батарею стало возможно разряжать до более низкого напряжения.
В области слева от центральной линии осциллограммы после запуска микросхемы напряжение VOUT постепенно растёт, создавая значительную нагрузку на PVIN, из-за чего напряжение PVIN начинает снижаться. Розовая осциллограмма снята на конденсаторе C3: он заряжается от PVIN, и напряжение на нём ниже PVIN на величину падения на диоде Шоттки. Когда напряжение PVIN падает, конденсатор C3 продолжает питать VIN, временно удерживая его напряжение высоким; поскольку ток покоя LTC3115-2 составляет около 6 мА, напряжение VIN медленно линейно снижается. Когда напряжение VIN становится ниже VOUT, начинает проводить диод D2, и даже при сильном провале PVIN напряжение VIN сохраняет нормальный уровень. В конце концов энергия батареи иссякает, и примерно в 1,6 деления от центральной линии осциллограммы напряжение PVIN опускается до 1,1 В (порог отключения по выводу RUN), после чего микросхема прекращает работу. После снятия нагрузки с батареи напряжение PVIN восстанавливается, схема запускается вновь, и весь процесс повторяется.
После замены батарей в схеме поведение светодиодов заметно улучшилось: яркость стала стабильной и более равномерной. Затем с помощью лабораторного источника питания были проведены сравнительные испытания исходных резисторов 7,5 Ом и понижающе-повышающего преобразователя. При выходном напряжении лабораторного источника 5,90 В входной ток схемы с исходными резисторами составлял 320 мА, и резисторы сильно грелись; с LTC3115 входной ток снизился примерно до 160 мА, то есть ток, потребляемый от батареи, значительно уменьшился. Кроме того, в схеме с понижающе-повышающим преобразователем яркость светодиодов остаётся постоянной даже при непрерывном снижении входного напряжения.
LTC3115-2 позволяет эффективно смягчить неудобства от частых отключений электричества в доме. Схема на рис. 3 в сочетании с бутстрепом существенно продлевает время работы кемпингового фонаря и расширяет рабочий диапазон понижающе-повышающего преобразователя.
Саймон Брэмбл (Simon Bramble) окончил Брунельский университет в Лондоне (Великобритания) в 1991 году по специальности «электротехника и электроника», специализируется на аналоговой электронике и источниках питания. На протяжении карьеры он занимался главным образом аналоговой электроникой и работал в компаниях Maxim и Linear Technology (обе сейчас входят в состав ADI).